Raportul Stiintific si Tehnic(RST) in extenso

B2. Metode de investigare a straturilor subtiri de spinel prin microscopie de inalta rezolutie

B2.1. Difractie de raze X.

Difracia cu raze X este o metod des folosit pentu determinarea parametrilor dimensionali ai cristalelor, spaierea ntre planele cristalografice, plane de difracie, faz i constante de reea. n ziua de azi este utilizat la estimarea dimensiunii cristalitelor nanocristale.

Pentru studiul materialelor cu raze X se folosete numai o gam redus de lungimi de und. Se folosete linia , de cele mai multe ori linia fiind filtrat cu ajutorul unui film absorbant (de exemplu o folie subire de nichel). Cel mai folosit metal este cuprul, care poate fi pstrat cu uurin la temperaturi sczute, deoarece are o conductivitate termic mare i produce linii i puternice. Lungimea de und corespunztoare liniei a cuprului este = 0.1541nm.

Studiul cristalelor cu raze X are la baz bine cunscuta lege a lui Bragg care d distana ntre dou plane cristalografice (Fig. 12) constanta reelei:

,

unde este lungimea de und a radiaiei X,

n este ordinul difraciei,

Fig. 12 Difracia pe cristale a razelor X.

este unghiul de difracie.

Difracia are loc dac este ndeplinit relaia de mai sus. Aceasta se ndeplinete dac se variaz n mod continuu lungimea de und sau unghiul sub care este iradiat proba, ntr-o gam de valori. Folosind aceste principii s-au dezvoltat mai multe metode experimentale de studiu al materialelor cu raze X: metoda Laue (folosit n special pentru a determina orientarea unor cristale mari, fixe, iradiate cu o und cu un spectru mai larg de lungimi de und), metoda cristalului rotitor (surs monocromatic de raze X i un cristal montat cu o ax normal la raza incident) i metoda pulberilor (folosit pentru determinarea cu acuratee a parametrilor reelei).

Pentru determinarea dimensiunii cristalitelor se folosete relaia Debye-Scherrer, care d diametrul pariculelor cu o precizie rezonabil:

,

unde w este FWHM limea (banda) la jumtatea nlimii (full width at half maximum) pentru diferitele vrfuri din difractogram.

Fig. 13 Imagini TEM ale probei de obinut prin metoda sol-gel.

n practic, datele experimentale obinute prin metoda difraciei cu raze X pentru o prob oarecare sunt supuse erorilor de calibrare a instrumentului, erorilor instrumentale, fluctuaiilor de putere care pot s apar n timpul efecturii experimentului i zgomotelor externe.

Investigaiile cristalografice asupra filmelor subiri de i a celor dopate cu Li au fost efectuate cu un difractometru folosind linia K a cuprului, folosind difracia la unghiuri mici. Fasciculul incident de raze X cade pe suprafaa probei sub unu unghi de 3. Datele au fost nregistrate folosind un pas de 0.02 pentru unghiul 2. Dimensiunea granulelor a fost determinat folosind formula Debye-Scherrer. Aceast tehnic permite analize cristalografice asupra filmelor subiri cu o dimensiune de pan la 10 nm.

Fig. 14 Imagine SEM (stnga) i TEM (dreapta) pentru o prob de

Msurtorile efectuate pe filme subiri de i dopate cu Li depuse pe suporturi de sticl sau Pt, la diferite temperaturi au evideniat structuri cubice, tipice pentru spinel. Folosirea de diferite substraturi pentru filmele subiri investigate nu a influenat ntr-o msur foarte mare intensitatea sau forma liniilor de difracie. Proba tratat termic la temperaturi mai nalte (500C) depuse pe diferite tipuri de substraturi prezint difractograme cu linii de difracie mai nguste. Acest lucru indic faptul c proba conine structuri spinel bine cristalizate. S-a putut determina de asemenea i constanta reelei avnd o valoare de . Proba dopat cu ioni de Li a dus la o modificare a constantei reelei ceea ce indic o incorporare a ionilor de Li n structura spinel.

Pe de alt parte difractogramele pentru filmele preparate la o temperatur mai sczut (300C) sunt mai puin bine-definite (n acest caz s-a obinut o constant a reelei de ), ceea ce indic o structur amorf.

Karthick i colaboratorii au folosit difracia cu raze X pentru determinarea structurii cristaline, dar i a puritii i conformitii filmelor subiri investigate. Difractogramele au fost msurate n domeniul 0 - 80; i de aceast dat folosind ecuaia Debye-Scherrer s-a determinat dimensiunea cristalitelor.

O alt metod de investigare este cea care folosete probe sub form de pulbere metoda pulberilor.

B2.2 Microscopie cu baleiaj de electroni in transmisie

Deoarece metoda de determinare a dimensiunii cristalitelor folosind ecuaia Debye-Scherrer nu este una foarte exact se poate ncerca pentru comparaie i determinarea dimensiunii folosind microscopia electronic n transmisie.

Fig. 15 Schema microscopului cu forte atomice.

Astfel din studiul prin ecuaia Debye-Scherrer s-a estimat o dimensiune a cristalitelor n intervalul 80-200 nm i folosind imaginea TEM (Fig. 15) s-a obinut o dimensiune ntre 50-200 nm.

Mai mult, pentru o mai mare acuratee se poate folosi i microscopia electronic cu baleiaj (SEM) pentru determinarea dimensiunii cristalitelor.

Difractometrul cu care este echipat Centrul de Microscopie Microanaliz i Procesarea Informaiei este un difractormetru de nalt rezoluie HRD3000 produs de ItalStructures avnd ca pricipale caracteristici:

stabilitate ridicat a generatorului de raze X dotat cu un microprocesor controlat de PC.

dispozitiv de optic paralel

goniometru de mare precizie cu poziionare cu motoare secveniale

un al doilea monocromator pentru radiaia de Cu

5 grade de libertate, toate motorizate

Cu ajutorul lui se pot efectua msurtori tipice cristalografice de determinare difractogramelor, spaierii ntre planele cristalografice sau calculul constantelor de reea att pnetru pulberi ct i pnetru filme subiri, aparatul avnd n dotare un dispozitiv special pentru investigarea filmelor subiri. Deasemenea softul de care dispune difractometrul poate calcula dimensiunea cristalitelor din probele investigate.

B2.3. Microscopie cu forte atomice

Studiul filmelor subtiri cu structuri de tip spinel presupune doua etape , o etapa de determinare a planelor cristalografice prezente in filmele subtiri , prin intermediul difractiei de raze X, si o a doua etapa de investigare a structurii morfologice analizate prin microscopie cu forte atomice si microscopiei cu baleiaj al electronilor. Studii asupra granularitatatii de la suprafta filmului , marimilor cristalelor sau asupra rugozitatii cad in mod direct sub incidenta domeniului microscopiei cu forte atomice. Acest tip de masuratori nu sunt specifice strucutrilor de spinel , fiind folosite in investigarea multor familii de materiale si dizpozitive. Principiile teoretice si de functionare ce stau la baza acestor masuratori vor fi prezentate in cele ce vor urma. Deasemnea vor fi prezentate si caractersitici specifice filmelor subtiri cu strucutura spinel ce pot fi investigate prin intermediul acestei tehnici de microscopie.

B2.3.1 Microscopie cu forte atomice (atomic force microscopy: AFM)

principiul de functionare

Sonda microscopului cu forta atomica este alcatuita dintr-o lamela sub forma de cruce, alungita si elastica, numita cantilever, cu dimensiuni de ordinul zecilor de microni, n capatul careia este plasat un ac ascutit, perpendicular pe cantilever. Cantileverul este miscat n plan xy si vertical de un sistem de pozitionare piezoelectric, cu precizia n jur de 5 nm orizontal si pna la 10 pm vertical. n timp ce acul baleiaza suprafata, miscndu-se n sus si n jos odata cu conturul acesteia, o raza laser cade oblic pe partea superioara (puternic reflectatoare) a cantileverului si se reflecta catre un senzor alcatuit din doua fotodiode alaturate. Diferenta dintre semnalele celor doua diode indica pozitia spotului laser pe senzor si deci pozitia pe verticala a cantileverului. Deoarece distanta ntre cantilever si detector este de obicei de mii de ori mai mare dect lungimea cantileverului, sistemul realizeaza o marire a deplasarii cu un factor de peste 2000, usor de masurat.

Acul cu un varf foarte ascutit (in varf se afla cativa atomi), montat pe cantilever se deplaseaz pe suprafaa probei dup un rastru de baleiaj. Vrful acului face ca latura cantilverului care l conine sa se deformeze in funcie de forele care actioneaza asupra sa . Aceste forte sunt intr-o stricta relaie cu harta topografica a probei studiate. Vrful este apropiat de proba pana cnd intre acesta si molecule din proba se stabilete o forta din categoria fortelor van der Waals, bazate in primul rand pe fortele electrostatice dintre particulele incarcate ale acului si probei. Aceasta forta, in funcie de denivelrile de la suprafaa probei , respinge sau atrage vrful . Cantileverul sesizeaz aceste deplasri pe axa z , si in baza lor , alturi de ofsetul (x,y) cruia ii este asociata forta care actioneaza asupra vrfului pe axa z , unitatea de calcul asociata microscopului cu forte atomice poate alctui a harta topografica a probei.

Fig. 16 Interactia varf proba

In timp ce cantileverul de deformeaz , lumina provenita de la un laser este reflectata pe o fotodioda splitata . Msurnd diferena de semnal (A-B) , deformrile cantilverului pe axa z pot fi observate si msurate foarte precis.

Din moment ce cantileverul respecta legea lui Hooke pentru mici deplasamente , se regaseste o forta de interactie intre vrf si proba .

Deplasarea vrfului sau a probei este realizata cu ajutorul unui dispozitiv de poziionare deosebit de precis realizat din ceramici piezo-electrice, cel mai adesea sub forma unui scanner tub . Scanner-ul este capabil de rezoluii sub nivelul unui Angstrom pe direciile axelor x,y si z. In mod convenional , axa z , este perpendiculara pe proba.

Mecanismul de detectie a semnalului sondei, actioneaza asupra circuitului de reactie, care la randul sau actioneaza asupra traductorului piezoelectric ce actioneaza intr-un mod foarte fin asupra suportului probei, in functie de modul de lucru dorit.

In figura 16 se poate observa ce se ntmpla la suprafaa de contact dintre vrf si proba :

Componentele unui microscop cu forte atomice

(1) un cantilver prevzut cu un vrf ascuit

(2) un scanner care controleaz poziionarea pe axele x-y-z

(3) un laser cu semiconductor

(4) un fotodetector

(5) circuit de control al reaciei .

Interactia vrf - proba

Interactia dintre vrf si proba are la baza forele van der Waals, datorate, in special, forelor electice dintre particulele ncrcate de pe suprafeele probei si respectiv sondei de explorare (varful acului). In figura 17 este prezentata evolutia fortele van der Waals cu distanta.

Pe masura ce atomii sunt in mod apropiati in mod gradat, acestia se atrag slab intre ei . Atractia creste pana cand atomii sunt atat de apropiati incat norul de electronii de pe orbita incep sa se respinga . Aceasta respingere electrostatica slabeste din ce in ce mai mult forta de atractie pe masura ce distanta interatomica continua sa se micsoreze. Forta devine zero cand distanta atinge cativa Angstromi

Fig. 17 Evolutia fortelor van der Waals cu distanta dintre varf si suprafata probei.

Modul in care contrastul unei imagini este realizat , poate fi obinut in mai multe modalitati. In microscopia cu forte atomice avem trei tipuri de interactie intre vrful cantilverului si proba :

1) modul contact continuu

2) modul contact intermitent

3) modul non-contact

Va fi prezentata mai jos o scurta descriere si comparative a acestor modalitati de scanare :

Modul de operareForta interactiei

Modul contactPuternica (de respingere) inaltime constanta sau forta constanta, Intre suprafata si proba exista forte de cativa angstromi (10-7 to 10-11 N)

Modul non-contactSlaba (de atracie)

Modul contact intermitentPuternica (de respingere)

Modul forelor lateraleForele de frecare exercita un cuplu asupra cantileverului

Modul forelor magneticeSlaba - Este vizualizat cmpul magnetic de la suprafaa

Modul termicSlaba Este vizualizata harta termica a suprafeei probei

Modul forelor magneticeSlaba - Este vizualizat cmpul magnetic de la suprafaa

Modul termicSlaba Este vizualizata harta termica a suprafeei probei

Modul contact :

Este cel mai comun mod de operare al microscopului cu forte atomice . Precum este sugerat si de numele acestui mod , vrful si proba raman in contact strns din momentul nceperii scanrii pana la sfarsitul acesteia. Prin contact se intelege un regim de respingere al curbei aferente forei inter-moleculare, precum este prezentat in figura 18.

Regiunea de respingere din cadrul curbei este situate deasupra axei x. Unul din dezavatajele rmnerii in contact cu proba este faptul ca exista un numr mare de forte laterale care isi exercita cuplul asupra cantilverului in timp ce acesta este deplasat pe suprafaa probei. Iat cteva caracteristici importante ale modului contact :

Face posibila vizualizarea informaiei 3d despre suprafaa unei probe in mod nedistructiv

1.5 nm rezoluie laterala

0.05 nm rezoluie verticala

Forte puternice de respingere actioneaza intre vrf si proba

Necesita un procedeu de pregtire a probei foarte simplu

In cadrul acestui mod se pot analiza dielectrici si conductoare cu usurinta

Microscopul cu forte atomice nu se bazeaz pe conductivitate .

Nu necesita procedee precum ptarea sau umbrirea , necesare pentru studiul acestui tip de materiale in cadrul unor altor tipuri de investigaii asupra lor.

Opereaz att in mediu gazos , cat si in mediu fluid .

Fluid = mediu controlat de natura lichida si specimene hidratate

Pune la dispozitie informaiei despre proprietatile fizice

Elasticitate , Adeziune , Duritate , Frecare etc.

Modul contact intermitent :

Este cel mai folosit mod dup modul contact. Cnd opereaz in aer sau in alte medii gazoase , cantileverul oscileaza la frecventa sa de rezonanta (mrime de ordinul sutelor de de KHz) si este poziionat deasupra suprafeei astfel nct va intra in contact cu aceasta doar o mica fracie de timp din perioada sa de oscilaie . Acesta este tot un mod contact , precum si cel descrise mai devreme , dar perioada scurta de timp in care contactul propriuzis are loc nseamn ca forele laterale sunt reduse considerabil pe parcursul deplasrii vrfului pe suprafaa probei. Cnd se investigheaz probe care nu pot fi fixate cu strictee (slab imobilizate) sau probe de o consistenta nu foarte dura , modul contact intermitent poate fi o alegere mult mai buna dect modul contact pentru a vizualiza harta topografica a probei. Deasemnea in modul contactului intermitent sunt posibile si metode (mai interesante) de obinere a contrastului . In modul forei constante , reacia este ajustata astfel nct oscilaia cantilverului sa ramana constanta . O imagine poate fi formata din acest semnal de amplitudine , dat fiind faptul ca vor exista mici variaii in amplitudinea oscilatiilor datorita circuitelor electronice care nu reactioneaza instantaneu fata de schimbrile aprute la suprafaa probei . Recent , o atenie deosebita a fost acordata imagisticii fazei . Acest procedeu functioneaza msurnd diferena de faza dintre oscilaiile dispozitivului piezo care controleaz cantilverulul si oscilaiile detectate . Se considera ca acest constrast al imaginii obinut este derivat din proprietati precum rigiditatea sau vscoelasticitatea . Iat cteva caracteristici importante ale modului contact intermitent :

Decalajul fazelor poate msura proprietatile ce in de compoziie, adeziune, friciune, elasticitate

Se pot identifica structurile amestecurilor de polimeri

Este mai puin duntore probelor de consistenta nu foarte dura dect modul contact

Modul non-contact :

Fig. 18 AFM in modul de lucru contact

Acest mod este o alta metoda care poate fi aleasa in investigaia unei probe cu ajutorul microscopului cu forte atomice.

Cantileverul trebuie baleiat deasupra suprafeei probei , la o distanta la care nu mai suntem in regim de respingere. Acest mod este un mod in care se opereaz destul de dificil in condiiile ambiente. In modul ambient , pe suprafaa probelor se formeaz un strat mic de apa care va ncerca in permanenta sa formeze o punte capilara intre vrf si proba cauznd ca vraful sa fie in permanenta tentat de a sari in modul contact. Chiar si in lichide sau in vid , faptul ca vrful este posibil sa sar din cnd in cnd in contact cu proba este destul de probabil , iar imaginea obinuta sa nu fie la urma urmei dect o imagine obinuta intr-o forma derivata a contactului intermitent. Reuita acestui mod tine foarte mult de consistenta probei , si mediul in care se desfasoara investigaia .

Fig. 19 AFM in modul de lucru non-contact

Avantaje prezentate de microscopia cu forte atomice

Fata de alte sisteme de microscopie, microscopul cu forte atomice mai prezint urmtoarele avantaje eseniale :

Microscopul cu forte atomice face posibila vizualizarea imaginilor cu un contrast topografic extraordinar , pot fi fcute msurtori precise de nivel pe suprafaa probelor investigate (nu este necesara tratarea probelor).

Imaginile tridimensionale sunt obinute fara o preparare costisitoare a probelor cu urmeaz a fi studiate si ofer informaii mult mai complete , dect pofilele bidiminesionale obinute din probele tiate transversal .

Microscopul cu forte atomice permite msurarea precisa a pragurilor de inaltime de pe suprafaa unei probe, msurare absolute independenta de reflectivitatea materialelor studiate

Investigatii pe structuri spinel.

1. Masuratori ale Modulului lui Young efectuate asupra Feritelor Nanocristaline cu structuri spinel prin Microscopie cu forte Atomice

Utilizand Microscopia cu Forte Atomice Acustice (AFAM), modulul lui Young in cazul a doua flme subtiri cu ferite nanocristaline cu strucutra de spinel , a fost masurat ca functie de temperatura de oxidare la scala nano. Este prezenta o scadere generala a modului lui Young ca functie de temperatura de oxidare cu puncte de minim si maxim intermediare. Aceste masuratori evidentiaza existenta gradientilor chimici de la stratul de suprafata catre interiorul filmelor subtiri ce apar in timpul procesului de oxidare in faza y. Acestia conduc la gradienti de stres care influenteaza modului lui Young si coercivitatea Hc. In aceasta tehnica de masurare , sunt masurate frecventele de rezonanta ale unui cantilever apartinand unui microscop cu forte atomice si exploateaza dependenta acestora fata de fortele de contact varf-suprafata, in cazul de fata o constanta elastica descrisa de teoria Hertizana a fenomenelor de contact. Dupa comparatii facute intre aceste metode de masuratoare si metodele bazate pe nanoindentare a reiesit ca aceasta metoda pune la dispozitii rezultate foarte precise , achizitionate printr-o metoda nedistructiva. In investigatiile AFAM (Atomic Force Acoustic Microscopy) asupra filmelor subtiri cu strucutra spinel , este posibila aparitia efectelor neliniare , acest fapt poate conduce chiar la capacitatea de a studia si masura o serie de parametrii neliniari la o scala nano

2. Studiul disolocarilor la suprafata materialelor cu strucutura spinel

Prin intemediul AFM pot fi studiate structurile sabloanelor de evaporare create de dislocarile stationare si aflate in miscare care se termina pe suprafata (0 0 1) materialelor cu structuri similare cu MgAl2O4 . Cand vectorii Burger ai dislocarilor sunt inclinati in raport cu planul cristalin (0 0 1), aceste dislocari creaza sabloane de evaporare de forma unor spirale duble. Spiralele duble de evaporare iau nastere printr-un proces sinergistic de rotatie al unor perechi de denivelari de inaltime de 2- , ce isi au originea in punctele terminale de dizlocare. Dizlocarile, ai caror vectori Burger sunt dispusi in planul cristalografic (0 0 1), nu formeaza spirale cand se termina pe suprafata (0 0 1), dar pot crea zone logitudinale denivelate. Prezenta acestor zone logitudinale denivelate legate de prezenta dizlocarilor de la suprafata , vor forma noi denivelari cu asepct de V. Studiul acestor fenomene de suprafata ce apar in cazul filmelor subtiri spinel pot fi investigate cu ajutorul AFM , intr-o maniera nedistructiva.

B2.3.2. Microscopie confocala cu baleiaj laser

Microscopia confocal ofer un numr de avantaje fa de microscopia convenional de cmp optic larg, incluznd abilitatea de control asupra adncimii cmpului, eliminare sau reducere a informaiei de fundal din planul focal (informaie ce duce la degradarea imaginii), i capacitatea de colectare de seciuni optice seriale din grosimea probelor. Cheia de baz a principiului confocal este folosirea tehnicilor de filtrare spaial n eliminarea luminii sau strlucirii ce nu aparine zonei de focalizare a probelor, ce depesc n grosime planul focal iminent. n ultimii ani a avut loc o extraordinar cretere n popularitate a microscopiei confocale, datorat n parte uurinei cu care imagini de o extrem de nalt calitate pot fi obinute de la probe preparate pentru microscopia clasica, precum i a numrului n cretere de aplicaii. n fapt, tehnologia confocal se dovedete a fi unul dintre cele mai importante progrese atinse vreodat n microscopia optic.

Fig. 20 Principiul microscopiei confocale

Microscoapele confocale moderne, pot fi considerate drept sisteme electronice complet integrate n care microscopul optic joac un rol central ntr-o configuraie care conine unul sau mai muli detectori electronici, un calculator (pentru afiarea observaiilor, procesare, stocare i ieiri) i cteva sisteme laser combinate cu dispozitive de selecie a lungimii de und i un ansamblu de baleiaj laser. n majoritatea cazurilor integrarea ntre diverse componente este att de minuioas nct adesea este referit n mod colectiv drept sistem de imagistic video sau digital capabil s produc imagini electronice.

Lumina coerent emis de sistemul laser (sursa de excitare) trece printr-o apertur pinhole care este situat n planul conjugat (confocal) cu punctul de scanare de pe prob i o a doua apertur pinhole poziionat n faa detectorului (un tub fotomultiplicator). n timp ce laser-ul reflectat de o oglind dicromatic scaneaz proba ntr-un plan focal stabilit, puncte de pe prob emit fluorescen secundar (n acelai plan focal) care trece napoi prin oglinda dicromatic i sunt focalizate ca punct confocal la apertura detectorului pinhole (adesea lumina reflectata de proba nu are aceeasi lungime de unda cu radiatia incidenta; daca este aceeasi lungime de unda vorbim despre reflexie, n caz contrar, mai general este fluorescenta). Cantitatea semnificativ de emisie fluorescent care apare n puncte de sub i de deasupra planului focal nu este confocal cu pinhole (numite raze de lumin n afara focalizrii figura 20) i formeaz discuri Airy extinse n planul aperturii. Pentru c doar o mic cantitate de emisie fluorescent din afara focalizrii este livrat prin apertura pinhole, o mare parte din aceast lumin ce nu aparine obiectului nu este detectat de fotomultiplicator i nu contribuie la imaginea final. Oglinda dicromatic, filtrul barier i filtrul de excitare asigur funcii similare cu componentele identice din epi-fluorescena de cmp larg. Refocalizarea obiectivului ntr-un microscop confocal deplaseaz punctele de excitare i de emisie pe prob ntr-un nou plan care devine confocal cu apertura pinhole a sursei de lumin i a detectorului.

n microscopia tradiional epi-fluorescen de cmp larg, ntreaga prob este supus unei iluminri intense de la o surs necoerent, lamp de descrcare n arc cu Xenon sau Mercur, iar imaginea rezultat, de emisie fluorescent secundar poate fi observat direct n ocular sau proiectat pe o suprafa de plac fotografic tradiional sau matrice de detectori electronici. Spre deosebire de acest concept simplist, mecanismul formrii imaginii n microscopia confocal este fundamental diferit. Aa cum s-a discutat mai sus, microscopul cu fluorescen confocal const n multiple surse de excitare laser, detectori electronici (uzual fotomultiplicatori), i achiziie computerizat, procesare, analiz, expunere de imagini.

Capul de scanare este n centrul sistemului confocal i este responsabil de rasterizarea excitaiei pentru baleiaj, precum i de colectarea semnalului fotonic de la prob necesar la obinerea imaginii finale.Un cap de scanare tipic conine intrri de la sursele laser externe, seturi de filtre de fluorescen i oglinzi dicromatice, un sistem de oglinzi de scanare n rastru acionate galvanometric, aperturi pinhole variabile - n scopul generrii imaginii confocale, detectori tub fotomultiplicator acordabili pentru diverse lungimi de und de fluorescen.

n scanarea confocal epi-iluminare, sursa de lumin laser i detectorii fotomultiplicatori sunt ambele separate de proba de ctre obiectiv, care funcioneaz i ca un condensor bine reglat. Componentele filtrante de fluorescen intern (precum filtrele de excitare sau barier intern sau oglinzile dicromatice) i filtrele de densitate neutr sunt coninute n unitatea de scanare. Filtrele de interferen i densitate neutr sunt gzduite n turete rotative sau alunectoare ce pot fi introduse n calea luminii de ctre operator. Raza de excitare laser este conectat la unitatea de scanare cu un cuplor de fibr optic urmat de un expandor care permite fascicolului laser subire s umple complet apertura din spatele obiectivului (o cerin critic n microscopia confocal). Lumina laser expandat ce trece prin obiectivul microscopului formeaz un spot intens limitat difractiv ce scaneaz n rastru prin intermediul oglinzilor cuplate, acionate galvanometric, planul probei (scanare punctual).

Una dintre cele mai importante componente ale capului de scanare este apertura pinhole, care se comport ca un filtru spaial la planul imaginii conjugate poziionat direct n faa fotomultiplicatorului.Cteva aperturi de diametre variabile sunt de obicei incluse ntr-o turet rotativ ce ngduie operatorului s ajusteze valoarea pinhole (i grosimea seciunii optice).

Atunci cnd subliniem diferenele i similitudinile ntre microscoapele confocale i de cmp larg, este adesea folositor s comparm calitatea i geometria iluminrii probei folosit de fiecare tehni-c. Obiectivele microscoapelor tradiionale epifluorescente de cmp larg focalizeaz un con larg de iluminare pe un volum mare al probei, care este iluminat uniform i simultan. O majoritate a emisiei fluorescente este direcionat napoi spre microscop, e adunat de obiectiv (depinznd de apertura numeric) i e proiectat n ocular sau detector. Rezultatul este o cantitate semnificativ de semnal datorat luminii emise de fundal i autofluorescenei provenit din arii de sub i de deasupra planului focal, care reduce semnificativ rezoluia i contrastul imaginii.

Sursa de iluminare laser n microscopia confocal este la nceput expandat pentru a umple apertura din spatele microscopului, i apoi focalizat prin sistemul de lentile ntr-un spot foarte mic n planul focal. Mrimea punctului de iluminare variaz ntre 0.25 si 0.8 m n diametru, depin-znd de apertura numeric a obiectivului i 0.5-1.5 m adncime la cea mai puternic intensitate. Mrimea spotului confocal este determinat de design-ul microscopului, lungimea de und a radiaiei laser incidente, caracteristicile obiectivului, setrile unitii de scanare i prob. ntreaga adncime a probei este iluminat pe o arie larg, la microscopul de cmp larg, n timp ce eantionul este scanat cu un spot fin de iluminare centrat n planul focal al microscopului confocal.

n microscopia cu baleiaj laser, imaginea unei probe extinse este generat prin baleiajul fascicolului laser pe o arie fix n rastru controlat de dou oglinzi oscilante de mare vitez acionate de motoa-re galvanometrice. Una dintre oglinzi mut fascicolul de la stnga la dreapta pe axa lateral X, n timp ce, cealalt translateaz raza pe direcia Y. Dup fiecare scanare de-a lungul direciei X, raza este rapid transportat napoi la punctul de plecare i incrementat poziia pe Y pentru nceperea unei noi scanri ntr-un proces numit en. Flyback.n timpul acestei operaii (flyback), informaie-imagine nu este achiziionat. n aceast maniar, aria de interes de pe prob ntr-un singur plan focal este excitat de ilumi-narea laser de la unitatea de scanare.

n vreme ce fiecare linie de scanare parcurge proba n planul focal lateral, emisia fluorescent este colectat de obiectiv i trece napoi prin sistemul optic confocal. Viteza oglinzilor de scanare este foarte mic comparativ cu viteza luminii, astfel nct emisia secundar urmeaz un drum optic pe axa optic care este identic cu raza de excitare original.

ntoarcerea emisiei fluorescente prin sistemul de oglinzi galvanometrice este referit ca descanare. Dup ce trece de oglinzile de scanare emisia fluorescent trece direct prin oglinda dicromatic i e focalizat pe apertura pinhole a detectorului. Spre deosebire de tiparul de scanare rastru al luminii de excitare ce parcurge proba, emisia fluorescent rmne ntr-o poziie stabil la apertura pinhole, dar fluctuaiile datorate intensitii spotului de iluminare ce parcurge proba produc variaii n excitare.

La microscoapele confocale moderne, dou tehnici fundamentale, diferite, au fost dezvoltate. Baleiajul cu un singur fascicol, una dintre cele mai populare metode-implementat n majoritatea microscoapelor cu baleiaj laser comerciale, folosete o pereche de oglinzi galvanometrice controlate de computer pentru scanarea n rastru a probei la o rat de aproximativ un cadru pe secund. Rate mai ridicate de scanare (aproape de viteza video) pot fi atinse folosind dispozitive acusto-optice sau oglinzi oscilante. n contrast, microscoapele multifascicol cu baleiaj laser sunt echipate cu un disc Nipkow coninnd o matrice de microlentile i pinholes. Aceste instrumente folosesc adesea lmpi cu descrcare n arc pentru iluminare- n locul laserilor- pentru a reduce deteriorarea probei i a mbunti detecia nivelelor joase de fluorescen n timpul achiziiei n timp real de imagini. Alt caracteristic important a microscoapelor multifascicol este abilitatea de capturare de imagini cu o matrice detector precum C.C.D. camera (charge-coupled device)

La majoritatea pachetelor soft de microscopie confocal, secionarea optic nu este restricionat la planul perpendicular lateral (X-Y), dar poate fi colectat i afiat n planuri transversale. Seciuni verticale n planurile X-Z i Y-Z (paralele la axele optice ale microscopului) pot fi generate de majoritatea softurilor confocale cu mare uurin. De aceea, proba apare ca i cum ar fi fost secionat cu un plan perpendicular pe axele laterale. n practic, seciunile verticale sunt obinute prin combinarea scanrii X-Y luat cu ajutorul soft-ului n lungul axei z, iar apoi proiectnd o imagine a intensitii luminoase aa cum ar fi aprut dac hard-ul microscopului ar fi putut efectua secionarea vertical fizic.

Avantajele adiionale ale microscopiei confocale includ posibilitatea ajustrii electronice a mririi (zoom) prin varierea ariei scanate de laser fr necesitatea de a schimba obiectivul. Aceast facilitate este cunoscut ca factor de zoom i este uzual angajat n ajustarea rezoluiei imaginii spaiale prin modificarea perioadei de eantionare a baleiajului laser. Sporirea factorului de zoom reduce aria baleiat a probei simultan cu rata de baleiaj. Rezultatul este un numr mai mare de eantioane pe o lungime comparabil, care sporete att rezoluia spaial a imaginii ct i mrirea imaginii afiate pe monitorul computerului gazd. Zoom-ul confocal este tipic angajat s potriveasc rezoluia digital a imaginii cu rezoluia optic a microscopului atunci cnd la achiziia de date sunt folosite obiective de mrire i apertur mic. Discretizarea datelor secveniale analogice colectate de fotomultiplicatorul microscopului confocal (sau un detector similar) faciliteaz algoritmii de procesare computerizat a imaginii prin transformarea fluxului continuu de tensiune n incrementri discrete digitale care corespund variaiilor n intensitatea luminii. n plus fa de beneficiile i viteza sporite de procesare digital a datelor, imaginile pot fi imediat preparate pentru imprimare sau publicare. n experimente controlate cu atenie, msurri cantitative ale intensitii fluorescenei spaiale (fie statice sau ca o funcie de timp) pot fi de asemenea obinute din date digitale.

Un rol important este jucat de filtrele folosite; spre deosebire de filtrele dicroice clasice microscopul Leica utilizeaz un sistem de filtre acordabile, cte unul pentru fiecare fotomultiplicator, ceea ce asigura achiziia imaginilor pe 4 canale independente. Aceste filtre au la baza o prism care descompune raza (dup trecerea sa prin pinhole) n componentele sale spectrale (n domeniul 400-750nm); n continuare aceasta este dirijat spre fiecare fotomultiplicator. Acetia dispun de cte o apertura reglabil care permite selecia spectrului dorit cu o rezoluie de 4nm i selectarea oricrei poriuni a spectrului. Practic se obine un sistem de filtre reglabil ca lrgime care poate fi centrat pe orice lungime de und din spectrul vizibil i care poate fi ajustat n timp real.

Investigaii pe filme subtiri de spinel

Microscopia confocal bazat pe baleiajul de fascicul laser este o metod care permite observaia tridimensional precis prin intermediul seciunilor optice. Aceasta metod este foarte des folosit n modul fluorescen la observaii de natura biologic, dar nu este mai puin adevrat c este folosit n modul reflexie pentru investigaii asupra unei game largi de materiale, inclusiv minerale. Pentru exemplificare, Sridhar i colectivul au folosit microscopia confocal cu baleiaj laser pentru observarea direct a disoluiei particulelor mici de MgO n calciu aluminat. Studiul disoluiei n condiii dinamice este destul de complicat pentru c exist trei direcii cu flux de materie. n aceste condiii, observaia prin seciuni optice poate izola unul din cele trei tipuri de fluxuri.

Microscopia confocal cu baleiaj laser (CLSM) n modul reflexie este o metod adecvat pentru caracterizarea din punct de vedere topografic (morfologic) a diverselor suprafee destinate diferitelor aplicaii. Spre deosebire de AFM, CLSM are avantajul de a culege date de pe o suprafa larg de analiz, date ce pot proveni din volumul probei. n plus CLSM poate urmri variaii mari ale profilului de adncime, variaii care depesc limitele AFM. CLSM este o alternativ real la investigaiile de tip SEM ori AFM. Fa de AFM, CLSM are avantajul baleiajului din cmp ndeprtat, lucru care permite investigarea unor categorii dificile de probe.

Microscopia confocal cu baleiaj laser (CLSM) permite investigarea incluziunilor fr alterarea probei. CLSM poate contribui la dezvoltarea cunotinelor despre concentraia i aglomerarea de incluziuni. De asemenea, CLSM poate oferi informaii despre grosimea stratului subire, n msura n care acesta este transparent pentru fasciculul laser.

B2.4 Infrastructura CMMPI

1. Difractometru de raze X

Difractometrul cu care este echipat Centrul de Microscopie Microanaliz i Procesarea Informaiei este un difractormetru de nalt rezoluie HRD3000 produs de ItalStructures avnd ca pricipale caracteristici:

Stabilitate ridicat a generatorului de raze X dotat cu un microprocesor controlat de PC.

Dispozitiv de optic paralel

Goniometru de mare precizie cu poziionare cu motoare secveniale

Un al doilea monocromator pentru radiaia de Cu

5 grade de libertate, toate motorizate

Fig. 21 Imagine CLSM a unei suprafete de LiNbO3 implantat cu ioni de Cu la 60 keV, 10uA/cm2 i o fluen de 2(1017ioni/cm2..

Cu ajutorul lui se pot efectua msurtori tipice cristalografice de determinare difractogramelor, spaierii ntre planele cristalografice sau calculul constantelor de reea att pnetru pulberi ct i pnetru filme subiri, aparatul avnd n dotare un dispozitiv special pentru investigarea filmelor subiri. Deasemenea softul de care dispune difractometrul poate calcula dimensiunea cristalitelor din probele investigate.

2. Microscopul cu forte atomice Quesant 350

Moduri de lucru:

contact, intermitent.

3. Microscopul confocal cu baleiaj laser

Microscopul Leica TCS SP2 este un microscop confocal cu posibiliti de spectrometrie, avnd prevzut i o extensie pentru conectarea unui laser exterior, putndu-se profita astfel de avantajele microscopiei confocale, multifoton i n fluorescen prezentate mai sus cu ajutorul software- lui disponibil.

Microscopul Leica TCS SP2 este construit pornind de la un microscop optic dotat cu o serie de accesorii:

pinhole cu deschidere variabila (pn la 600 (m).

5 fotomultplicatoare cu sensibilitate n domeniul spectral 400nm-800nm.

filtre de selecie a lungimii de unda cu o rezoluie de 4nm.

sistem de scanare cu o viteza de 3fps la o rezoluie de 512x512 pixeli, capabil de o rezoluie maxima de 1024x1024 pixeli i posibilitatea de a realiza zoom optic de 32x.

3 laseri (Argon 478 i 488 nm, Krypton 568 nm, HeNe 633nm).

port exterior de intrare pentru un laser suplimentar.

Drumul optic prin capul de scanare al microscopului: lumina este cuplat n sistem prin intermediul unei fibre optice, trece prin pinhole i este apoi trimis de o oglind dicroic pe sistemul de scanare. Dup ce aceasta ajunge pe prob exista mai multe modaliti de preluare a luminii rezultate:

lumina transmis este preluata de fotomultiplicatorul aflat dedesubtul probei

lumina reflectata va fi descanat de sistemul de baleiaj, va trece prin pinhole-ul de achiziie i va ajunge, prin intermediul unui sistem de filtre, pe unul din cei 4 fotomultiplicatori

lumina rezultat din excitarea mostrei de ctre raza laser (fluorescenta) urmeaz acelai drum ca lumina reflectata

Un rol important este jucat de filtrele folosite; spre deosebire de filtrele dicroice clasice microscopul Leica utilizeaz un sistem de filtre acordabile, cte unul pentru fiecare fotomultiplicator, ceea ce asigura achiziia imaginilor pe 4 canale independente. Aceste filtre au la baza o prism care descompune raza (dup trecerea sa prin pinhole) n componentele sale spectrale (n domeniul 400-750nm); n continuare aceasta este dirijat spre fiecare fotomultiplicator. Acetia dispun de cte o apertura reglabil care permite selecia spectrului dorit cu o rezoluie de 4nm i selectarea oricrei poriuni a spectrului. Practic se obine un sistem de filtre reglabil ca lrgime care poate fi centrat pe orice lungime de und din spectrul vizibil i care poate fi ajustat n timp real.

Sistemul astfel rezultat mbin n mod optim detecia spectrometric cu microscopia confocal avnd o flexibilitate i eficiena sporite fa de sistemele clasice.

O facilitate suplimentara a microscopului o reprezint posibilitatea cuplrii unui laser exterior. Acesta este utilizat n cadrul centrului pentru microscopie multifoton i generare de armonici folosind un laser n impulsuri Spectra-Tsunami Ti:Safir cu o putere maxima de 5W , o frecven a impulsurilor de 80MHz tunabil n domeniul spectral 700-1050nm.

Un rol esenial n utilizarea optim a microscopului Leica este deinut de software; acesta realizeaz controlul tuturor parametrilor hardware ai sistemului (deschiderea pinhole-ului, reglarea sistemului de filtre pe lungimile de und dorite, viteza de scanare, zoom, amplificarea fotomultiplicatorilor, reglajul puterii laserilor, etc.) oferind posibilitatea realizrii unor msurtori i prelucrri complexe a datelor obinute:

reconstituiri 3D ale suprafeelor

obinerea de seciuni optice pe orice direcie i n interiorul mostrei

msurtori spectrometrice n domeniul vizibil cu o rezoluie de 4nm

prelucrri statistice ale datelor obinute bazate pe morfologia mostrei i parametrii optici msurai

urmrirea i nregistrarea parametrilor de interes i a evoluiei mostrei n timp real

_1258881095.unknown

_1258965324.unknown

_1258882265.unknown

_1258882644.unknown

_1258964262.unknown

_1258882417.unknown

_1258881523.unknown

_1243511503.unknown

_1243511576.unknown

_1240866003.unknown

_1240865746.unknown